Отпуск закаленной стали (превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве)

Структура закаленной стали (М+Аост.) метастабильна, система обладает значительной свободной энергией и переход в стабильное состояние происходит при комнатных температурах, но очень медленно. Нагрев увеличивает подвижность атомов (1 км/сек) и ускоряет переход в равновесное состояние. Распад фаз происходит по диффузионному механизму -скорость его определяется температурой.

Мартенсит - структура обладающая максимальным объемом, аустенит минимальным. Поэтому все превращения при нагреве удобно наблюдать на приборе, фиксирующем уменьшение (или увеличение объема образца или его линейных размеров). Таким прибором является дилатометр. На рис. 8.19 показана дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали(1,2% С). До t° = 80 прибор не фиксирует превращение. При дальнейшем повышении температуры получим кривую, которую можно разбить на 4 участка, соответствующим четырем превращениям при отпуске.

Первое превращение сопровождается уменьшением линейных размеров образца, что свидетельствует о превращениях, происходящих в мартенсите. Оно происходит в интервале температур 80-350° и может быть разбито на две стадии. В первой стадии (<150°) в отдельных участках пересыщенного α- твердого раствора выделяются дисперсные частицы карбида железа (Fe₃C), т.к. температура низкая, диффузия атомов углерода на большие расстояния невозможна, возникает структура, состоящая из двух твердых растворов с высокой (исходной) и низкой концентрацией углерода и ε-карбидов. Карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной в несколько атомных слоев и длиной в несколько сот ангстрем, когерентно связанные с решеткой мартенсита (рис.8.20). Вторая стадия распада (150-350°С) заключается в дальнейшем выделении ε -карбидов и их коагуляции. В результате возникает структура отпущенного мартенсита объединенный углеродом мартенсит + ε - карбиды. В низко- и среднеуглеродистых сталях вторая стадия практически заканчивается при температуре 200 - 250°С.

Второе превращение вновь сопровождается ростом линейных размеров образца - что свидетельствует о превращении остаточного аустенита. Оно идет в интервале 200 -300 °С. В результате А_ост .—> М_отп это превращение диффузионное и по своей природе сходно с бейнитным превращением.

Третье превращение вновь сопровождается уменьшением линейных размеров образца, что свидетельствует о продолжении распада твердого раствора (мартенсита). Температурный интервал превращения 300 -400°С. Оно завершается выделением углерода из твердого раствора, обособлением решеток феррита и карбида (потеря когерентности). Происходит карбидное превращение, резко уменьшаются внутренние напряжения (напряжения второго рода). Структура стали Ф+Ц (очень дисперсный) - тростит отпуска (диаметр частиц цементита 3 *10 ⁶мм ).

Четвертое превращение происходит при температурах свыше 400° С и связано с укреплением (коагуляцией) и сфероидизацией карбидов. При 500° С возникает более грубая феррито-цементитная смесь -сорбит отпуска, а при более высоких температурах -структура зернистого перлита (диаметр частиц цементита 3*10⁴ мм). Игольчатая структура сохраняется до 500°- 600°С. При температурах четвертого превращения в легированных сталях происходит диффузное перераспределение легирующих элементов, которые перераспределяются между ферритом и карбидом, при этом возможно образование специальных карбидов легирующих элементов.

Распад мартенсита при отпуске оказывает существенные влияния на свойства. При низких температурах отпуска до 200-250°С уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению при этом сохраняется высокая твердость. Прочность и вязкость могут несколько возрастать из-за уменьшения микро- и макронапряжений.

Повышение температуры отпуска от 200-250°С до 500-650°С заметно снижает твердость, пределы прочности, текучести и повышает относительное удлинение и сужение.

С ростом температуры отпуска разупрочнение возрастает из-за следующих причин:

1) уменьшается нарушение когерентности на границе карбид-твердый раствор и снятия упругих концентрация в твердом растворе;

2) микронапряжений;

3) коагуляция карбидов и увеличение межпластиночного расстояния;

4) развитие возврата и рекристаллизации. В разных температурных интервалах преобладает действие разных факторов.

В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбидов задерживает падение твердости, а в интервале 200-250 ° даже несколько увеличивает ее.